Биоинформатик Михаил Гельфанд о бактериальных сообществах, индивидуальных клетках и исследованиях древнего генома

"Человечество неправильно использовало антибиотики"
Михаил Гельфанд / ПостНаука
Михаил Гельфанд — доктор биологических наук, профессор, член Общественного совета Минобрнауки, — рассказывает о самых интересных направлениях исследований в биологии, западном опыте и современных научных центрах в России.
Я веду исследования в учебно-научном центре «Биоинформатика» Института проблем передачи информации РАН. В моей лаборатории мы занимаемся компьютерным анализом генома, изучаем бактериальные сообщества и эволюцию бактериальных геномов.

Оказывается, что мы можем многое рассказать о бактерии, зная только ее геном. Например, если есть белок с неизвестной функцией, очень трудно понять экспериментально, что он делает. Еще хуже, когда есть функция, но непонятно, какой белок ее выполняет. Выяснить это экспериментальными методами бывает очень сложно, но если у вас есть конкретное предсказание, сделанное с помощью компьютерного анализа, то его можно проверить напрямую. И эти подходы получаются очень эффективными.

Другое направление исследований — эволюция бактериальных геномов. Мы изучаем фундаментальные вопросы. Например, пытаемся понять, что такое вид бактерий. Нам примерно понятно, что такое вид млекопитающих, но совершенно непонятно, что такое вид бактерий. О млекопитающих мы можем сказать, что человек и шимпанзе ― более близкие родственники, чем человек и мартышка, а кит с бегемотом ― более близкие родственники, чем бегемот и корова. Дело в том, что бóльшая часть генома у млекопитающих наследуется от предков напрямую, а с бактериями все не так: у них часто гены переносятся из одного вида в другой. Тут возникает интересный вопрос о том, можно ли эволюцию бактерий представлять филогенетическим деревом. Без понимания эволюции бактерий невозможно придумать стратегию борьбы с ними. Не понимая, что бактерии очень быстро эволюционируют, человечество неправильно использовало антибиотики. Теперь мы имеем дело с бактериями, которые устойчивы к существующим антибиотикам.
«Фармацевтические фирмы не успевают производить новые антибиотики. С помощью антибиотиков уже невозможно вылечить некоторые современные инфекции, а скорее всего, скоро появятся новые».
Из книги Мартина Блейзера «Жизнь после антибиотиков». 

Кроме того, мы изучаем бактериальные сообщества. При этом рассматривается не один конкретный геном, а геномы всех имеющихся в сообществе бактерий. Если же выйти за рамки бактериальной геномики, то ведется большая работа по изучению того, как устроена ДНК в человеческих клетках. В этой области много интересных задач, которые в конечном счете сводятся к вопросу о том, почему геном во всех клетках одинаковый, а ткани разные и как в ходе развития получаются разные типы клеток. Ответ заключается в том, что в разных клетках работают разные гены. И то, какие гены работают в клетке, определяет ее индивидуальность. Еще более трудный вопрос — почему структура и функциональное состояние ДНК меняются, хотя ее последовательность остается прежней. В геномике бактерий у нас есть некая научная программа, и мы ей следуем с большим или меньшим успехом. А в науке о структуре и функции ДНК эукариот (организмов, клетки которых имеют ядро) наши работы в значительной степени получаются оппортунистическими — все зависит от экспериментаторов, которые приносят интересные данные.

О достижениях в биологии

Современная биология ― не про открытия и достижения. Нобелевские премии по физиологии или медицине на глазах теряют смысл, потому что из большого количества людей, которые делают одно и то же, комитет все чаще выбирает случайного человека. В других науках такого нет. Это происходит потому, что современная биология ― коллективная наука. Прогресс в ней непрерывный и постепенный. Очень редко бывают очевидные прорывы. Но есть красивые примеры. Например, CRISPR/Cas-системы — это действительно новая крутая вещь. Авторам, конечно, дадут Нобелевскую премию. И возникнет тот же самый вопрос: кому давать? Ведь первая гипотеза о том, как это должно быть устроено, возникла в результате анализа геномов у Евгения Кунина и его коллег. Потом разные группы микробиологов показали, как это работает у живых бактерий. А другие ученые придумали, как применять эти системы в генной инженерии. Понять, кто главный молодец, невозможно.

Биология ― это не наука о танковых прорывах, а наука о позиционных боях.

Биология ― это не наука о танковых прорывах, а наука о позиционных боях. Поэтому вопрос о достижениях сложный. Или они есть всегда, или их нет никогда — зависит от того, как посмотреть. Я думаю, что доля понимаемого в биологии все время уменьшается за счет того, что непропорционально быстро увеличивается доля вещей, про которые мы понимаем, что они есть, но совершенно не понимаем, как они работают. Есть известная апория про то, что Ахиллес никогда не догонит черепаху. Здесь то же самое, только черепаха бежит быстрее Ахиллеса.

О генетическом шуме

Мы знаем структуру ДНК, структуру генома, функциональное состояние генома усредненной клетки, но не конкретной. Но клетки даже одного типа все разные. И интересно узнать, как это работает при колоссальном уровне шума, который есть во всех молекулярно-генетических системах. Если создать более эффективную систему с точки зрения контроля шума, то может оказаться, что мы потратим больше энергии на этот контроль. В книге Джордана Элленберга «Как не ошибаться» есть такая мысль, что если ваше правительство не тратит ни одного доллара на ерунду, то оно тратит слишком много денег на то, чтобы не тратить ни одного доллара на ерунду. То есть контроль на самом деле стоит дорого. То же самое в биологии: соотношение шума и контроля ― это большая и красивая проблема. Ясно, что чрезмерный контроль эволюционно невыгоден. Возможно, на этот шум проще не обращать внимания, чем каждый раз его выносить. Если он не очень вреден, зачем придумывать специальный механизм, чтобы от него избавляться? А с другой стороны, всякий геномный мусор является источником эволюционных инноваций.

Есть тонкое семантическое различие между английскими словами trash и junk: trash ― это мусор, который идет на помойку, а junk ― это то, что у вас валяется в гараже и время от времени может быть нужно. Например, старый велосипед ― это junk. Из него можно внезапно извлечь какую-то полезную деталь. И оказывается, что эволюция работает так же: довольно заметная часть эволюционных инноваций ― это старые обломки механизмов, которые когда-то были осмыслены, потом превратились в junk, а затем приспособились к новому делу. Интересно, как это получилось в результате случайных перестроек и отбора, который на них действовал.

Об исследованиях индивидуальных клеток

Сейчас интересно наблюдать за тремя направлениями исследований в биологии: анализ индивидуальных клеток и различий между ними; соотношение шума и функции; и последнее ― тот же самый вопрос, но в эволюционном преломлении. За индивидуальными клетками интересно наблюдать с точки зрения эмбриологии. Если мы наблюдаем за клетками во время эмбрионального развития, когда они уже начинают приобретать отличия, мы можем проследить, как клетки постепенно понимают, какие функции будут выполнять.

Биотехнологии на Диалектике
Биотехнологии двойного назначения.
Вторая область ― это рак. Известно, что опухоли крайне неоднородны. Есть масса работ, в которых сравнивали раковые и нормальные клетки одной и той же ткани и смотрели, что поменялось. Но в них рассматривалась средняя раковая клетка, а клетки очень разные. Они постепенно набирают геномные поломки, становятся все более и более злокачественными, бесконечно делятся, потом какие-то из них приобретают способность «уплыть», прикрепиться в другом месте и там начать делиться, давая метастазы. Если смотреть на геномы индивидуальных клеток, можно восстановить эволюцию рака (рак — эволюционная болезнь) и увидеть сильнейшее соревнование между клетками опухоли. С точки зрения рака индивидуальные клетки ― это особи, а мы для них — внешняя среда. Исследования показывают, что клетки, у которых есть потенциал стать источником метастазов, могут присутствовать практически с самого начала, они не являются молодыми. Это фундаментальная вещь, которую надо понимать при выборе стратегии химиотерапии.

Третья область для исследования индивидуальных клеток ― это иммунология, а конкретнее ― индивидуальность лимфоцитов. Четвертая ― исследование индивидуальности нейронов, которое проводят в рамках нейронауки. Там есть очень красивая штука. Наивно можно было бы предположить, что у нейронов одной области мозга была одна клетка-предшественник, которая потом делилась и из которой эта область выросла. В таком случае генеалогическое дерево нейронов должно бы хорошо коррелировать с их географической близостью в мозге, но оказывается, что ничего подобного. Можно определить геномы отдельных нейронов и проследить историю соматических мутаций при делении клеток. Мы увидим, что, даже если область мозга локальна и однородна, она образована клетками из очень разных линий, которые разошлись, еще когда эти клетки вообще не были нейронами.

Если подумать, то окажется, что инженерно это очень правильно, ведь если каждая область мозга является потомком одной клетки, то при повреждении этой клетки в эмбрионе эта область мозга не разовьется совсем. А если область образована потомками большого числа разных клеток, которые приобрели функциональную идентичность уже в относительно поздней стадии, то подобного не случится.

Об исследованиях древнего генома

Очень интересные исследования касаются древней ДНК, потому что они развивают наше понимание истории. Стандартный вопрос: кем были носители индоевропейского языка?

Мы знаем археологические культуры примерно того времени, но теперь можно посмотреть на геномы этих людей, увидеть варианты генов, характерные для разных археологических культур, и проследить, как люди двигались по Евразии. С другой стороны, мы можем проследить отношения современных людей и неандертальцев, мы теперь знаем, что была еще одна независимая ветвь ― денисовцы, и в геномах жителей Индонезии, Новой Гвинеи, Австралии есть большие денисовские куски. Мы можем посмотреть на процесс одомашнивания скота. Все это интересно не только с точки зрения биологии, но и в перспективе понимания истории и культуры.

О научных центрах в России

Проблема России в том, что были великая советская физика и великая советская математика ― потрясающие школы мирового значения. Иногда говорят, что эти науки возникли из военной области, но это не так, хотя она позволяла им существовать.

А великая советская биология не имела такой крыши, поэтому с 1948 года ее не существовало. Были лишь отдельные очень хорошие ученые, и, в общем, так оно и осталось на десятилетия. Когда ученые начали массово уезжать за границу, ситуация усугубилась. Это плохая новость. А хорошая новость в том, что тем не менее сейчас все-таки есть несколько лабораторий, в которых делают науку вполне мирового уровня.

Чтобы наблюдать за наукой, надо смотреть не на уровне центров, а за конкретными людьми. Территориально сильные люди могут находиться в разных местах. Интересная ситуация зреет в Сколковском институте науки и технологий (Сколтех): именно биологическому направлению Сколтеха удалось собрать очень сильных людей, и если это заработает как надо, то будет очень хорошо. Успешные лаборатории есть в Санкт-Петербурге и Новосибирске, а дальше ― Красноярск, Уфа, Томск, Казань.

О западном опыте

Я большой сторонник того, чтобы в России строили науку по западным принципам ― с конкурсной системой, экспертизой. Но при этом есть два аспекта. Первый, совсем банальный: не может быть замечательно построенной системы науки в стране, которая целиком не функционирует как должно. Второй аспект заключается в том, что надо перенимать принципы, а не механизмы, потому что механизмы всякий раз должны быть разные. У российской науки, например, есть колоссальная, исторически сложившаяся и очень неправильная пропасть между исследованиями и образованием. Были исследовательские и учебные институты. За редкими исключениями вроде новосибирского Академгородка, это были два разных мира. Любая попытка строить современную науку и образование должна учитывать и преодолевать этот исторический фон. Должна быть очень хорошая стратегия и далекий горизонт планирования, и это то, чего совсем не хватает.

До некоторой степени надежду внушает Сколтех, потому что это новое образование в чистом поле. Есть надежда, что многие из проблем там не заведутся, а от странностей, которые в нем возникли в самом начале, удастся избавиться…

Источник: «ПостНаука».

 

Будущее эмоционально Демократический социализм в США Демократический социализм — каким он виделся в 1990 году Иллюстрация к статье о перенаселении на Диалектике К вопросу о перенаселении FOSFOR festival Эксклюзивное видео фестиваля электронной музыки! «Камила Вальехо? Убить эту суку, тогда и восстание закончится» Мозг человека Наше восприятие мира — это фантазия, совпадающая с реальностью По ту сторону разбитых витрин Писатель без бормотографа